KR100316214B1 - Waste Heat Boiler - Google Patents

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KR100316214B1 KR1019940006052A KR19940006052A KR100316214B1 KR 100316214 B1 KR100316214 B1 KR 100316214B1 KR 1019940006052 A KR1019940006052 A KR 1019940006052A KR 19940006052 A KR19940006052 A KR 19940006052A KR 100316214 B1 KR100316214 B1 KR 100316214B1
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지롤라 죠지오
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Abstract

본 발명은 폐열보일러를 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 원통형 셸 내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법으로서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있다.The present invention relates to a method of operating a waste heat boiler, comprising: a plurality of heat exchange tubes having an inlet end and an outlet end inside a cylindrical shell, attached to the shell, means for introducing water on the shell side of the tube, vapor Means for introducing a hot process gas stream to the inlet end of the tube to cool the introduced process gas stream and passing the gas stream through the tube in indirect heat exchange with water on the shell side of the tube, generated water / Means for recovering steam, and means for recovering a cooled gas stream, wherein the tube is a method of operating a waste heat boiler disposed in at least two bundles of tubes each having gas flow control means, wherein And the predetermined outlet temperature of the gas stream under load conditions. Adjusting flow distribution and flow rate of the hot gas stream between different tube bundles to control steam generation and cooling of the process stream to obtain.

Description

폐열 보일러를 작동시키는 방법{Waste Heat Boiler}How to Operate Waste Heat Boiler {Waste Heat Boiler}

본 발명은 화학반응에 의한 폐열의 재생에 관한 것이며, 보다 상세히는 냉각효율에 대한 개량된 제어를 제공하는 폐열 보일러를 작동시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the regeneration of waste heat by chemical reaction, and more particularly to a method of operating a waste heat boiler that provides improved control over cooling efficiency.

폐열 보일러는 고온 프로세스 가스 스트림에서 재생되는 폐열에 의해 증기를 발생시키는데 통상 사용된다. 일반적으로, 이러한 보일러는 원통형 셸내에 배열된 복수의 열교환 튜브를 갖춘 셸-튜브 교환기로서 설계되어 있다.Waste heat boilers are commonly used to generate steam by waste heat regenerated in hot process gas streams. In general, such boilers are designed as shell-tube exchangers with a plurality of heat exchange tubes arranged in a cylindrical shell.

물/증기 혼합물이 튜브를 통하여 유량하는 수관형과 튜브내에 가열용 프로세스 가스 스트림을 갖는 연관형의 2개의 기본적인 형태의 셸-튜브 교환기가 산업분야에 사용되고 있다.Two basic types of shell-tube exchangers are used in the industry: water pipes in which the water / vapor mixture flows through the tubes and associative types with a process gas stream for heating in the tubes.

보일러의 특성을 규정짓는 중요한 구성요소 중에는 튜브다발(tube bundle)과 튜브쉬이트(tube sheet)가 있는데, 이 튜브다발과 튜브쉬이트는 튜브의 개수, 튜브의 치수, 튜브다발의 형상, 연관 보일러의 증기에 있어서의 튜브쉬이트의 레이-아웃과 관련하여 보일러의 특성을 결정짓는다. 튜브쉬이트는 한쪽면에서 물/증기측 압력셸에 연결되고 다른쪽면에서 연소가스(프로세스 가스) 압력셸에 연결되어, 물/증기 챔버와 연소가스 챔버를 분리시키는 역할을 한다. 튜브다발은 전열면적을 크게 하도록 연소가스가 유량하는 복수의 튜브들로 구성되고, 물/증기측 압력셸내에 배치된다. 연관 보일러에서 증기발생은 보일러 튜브를 통하여 유량하는 고온 프로세스 가스 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 튜브의 셸 측면상에서 이루어진다. 이 셸 측면은 다수의 상승관과 하강관을 통해 증기 드럼에 연결되어 있으며, 보일러 셸의 상부에 배열될 수 있다.Important components that define the characteristics of the boiler are tube bundles and tube sheets, which are characterized by the number of tubes, the dimensions of the tubes, the shape of the tube bundles, and the associated boilers. The characteristics of the boiler are determined in relation to the lay-out of the tube sheet in the steam. The tubesheet is connected to the water / vapor side pressure shell on one side and to the combustion gas (process gas) pressure shell on the other side, which serves to separate the water / vapor chamber and the combustion gas chamber. The tube bundle is composed of a plurality of tubes through which the combustion gas flows to increase the heat transfer area, and is disposed in the water / vapor side pressure shell. Steam generation in the associated boiler takes place on the shell side of the tube by indirect heat exchange with the hot process gas stream flowing through the boiler tube. This shell side is connected to the steam drum through a number of risers and downcomers and can be arranged on top of the boiler shell.

셸-튜브 교환기형 보일러의 기계적인 설계, 특히 열교환 표면의 면적 설정에는 다소의 문제점이 있다. 보일러의 적용에는 셸측과 튜브측 사이의 상당한 온도차와 셸 측면상의 고압을 수반한다.There are some problems with the mechanical design of the shell-tube exchanger boiler, in particular the area setting of the heat exchange surface. Application of the boiler involves a significant temperature difference between the shell side and the tube side and high pressure on the shell side.

프로세스 가스 스트림의 오염 및 부식특성에 대해서 특별한 고려가 있어야 한다.Special consideration should be given to the contamination and corrosion characteristics of the process gas stream.

보일러에 대한 오염 또는 부식성을 감안하여, 보일러는 심각한 오염 및 부식 상태에서도 수명을 보장하기 위하여 요구되어지는 것보다 더 높은 성능으로 설계되어야 한다. 보일러 튜브의 열전달 표면은 상기 프로세스 가스 스트림의 예상되는 오염 및 부식성 인자에 대해 적합해야 한다. 보일러의 장기간 작동중에 소정의 일정한 냉각효과를 제공하기 위하여, 적절한 열전달 및 온도제어가 필요하다.In view of the contamination or corrosion of the boiler, the boiler should be designed for higher performance than required to ensure longevity even under severe contamination and corrosion conditions. The heat transfer surface of the boiler tube should be suitable for the expected contamination and corrosive factors of the process gas stream. In order to provide some constant cooling effect during long term operation of the boiler, proper heat transfer and temperature control are necessary.

종래식으로 설계된 보일러는 대직경 튜브의 바이패스관을 갖추고 있으며, 이것은 보일러 셸의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 이 바이패스관은 통상 유량제어밸브가 구비된 단열튜브로서 구성되어 있다. 보일러의 초기작동중에 고온 프로세스 가스 스트림 일부분은 열전달을 요구 수준내로 한정하기 위하여 열전달 튜브에서분기 유동된다.Conventionally designed boilers are equipped with bypass tubes of large diameter tubes, which may be inside or outside the boiler shell. This bypass pipe is normally comprised as a heat insulation tube provided with a flow control valve. During the initial operation of the boiler, a portion of the hot process gas stream is branched out of the heat transfer tubes to limit heat transfer to the required level.

다소의 시간이 지난후에 프로세스 가스 스트림에 의한 바이패스관의 오염과 부식이 증가하여 열전달을 감소시킨다. 그래서 분기 유동되는 프로세스 가스 스트림의 양이 감소되어져서, 열전달 튜브를 통한 프로세스 가스 스트림의 더 높은 유동을 가능하게 하여 요구된 냉각효과를 유지시켜 준다.After some time, the contamination and corrosion of the bypass tube by the process gas stream increases, reducing heat transfer. The amount of branching process gas stream is thus reduced, enabling a higher flow of the process gas stream through the heat transfer tubes to maintain the required cooling effect.

상기 타입의 공지된 보일러의 주된 결점은 1000 ℃정도 고온의 냉각되지 않은 프로세스 가스 스트림과 접촉하는 바이패스관과 유량제어밸브의 금속표면에 부식이 많이 생기는 것이다.A major drawback of known boilers of this type is the high corrosion of the bypass tubes and the metal surfaces of the flow control valves in contact with the uncooled process gas stream at temperatures as high as 1000 ° C.

가스를 포함하는 더스트를 가지고서 열교환용으로 사용되는 복수의 튜브다발에 배치된 튜브를 가진 셸-튜브 열교환기 타입의 보일러가 DE-A-30 17 411에 개시되어 있다.A shell-tube heat exchanger type boiler having tubes arranged in a plurality of tube bundles used for heat exchange with dust containing gas is disclosed in DE-A-30 17 411.

부분 부하 하에서 과도한 튜브 오염을 방지하고 보일러의 작업중지시 편리한 청소가 가능하도록 하기 위해, 튜브다발은 제어수단 즉 스톱밸브를 각각 가진 별개의 가스 출구 챔버에 연결되어 있다. 따라서, 튜브 내측 가스의 온도는 튜브의 셸측상의 냉매의 온도조절을 통해서 제어된다.In order to prevent excessive tube contamination under partial loads and to allow convenient cleaning during shutdown of the boiler, the tube bundles are connected to separate gas outlet chambers each having a control means, a stop valve. Therefore, the temperature of the gas inside the tube is controlled through the temperature control of the refrigerant on the shell side of the tube.

본 발명의 주된 목적은 보일러의 오염 및 부하조건을 변화시킬 때 소정의 열전달 및 온도조절을 할 수 있도록 공지된 셸-튜브 열교환기 타입의 폐열보일러를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.The main object of the present invention is to provide a method of operating a waste heat boiler of the known shell-tube heat exchanger type so as to allow a predetermined heat transfer and temperature control when changing the pollution and load conditions of a boiler.

따라서, 본 발명은 폐열보일러를 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 원통형 셸내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법으로서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있다.Accordingly, the present invention relates to a method for operating a waste heat boiler, comprising: a plurality of heat exchange tubes having an inlet end and an outlet end inside a cylindrical shell, attached to the shell, means for introducing water onto the shell side of the tube, Means for introducing a hot process gas stream to the inlet end of the tube to generate steam and cooling the introduced process gas stream and passing the gas stream through the tube in indirect heat exchange with water on the shell side of the tube, generated A method of operating a waste heat boiler comprising means for recovering water / steam and means for recovering a cooled gas stream, the tubes being arranged in at least two bundles of tubes each having gas flow control means. Predetermined outlet of the gas stream under different pollution and load conditions Adjusting the flow distribution and flow rate of the hot gas stream between different tube bundles to control steam generation and cooling of the process stream to obtain temperature.

본 방법 발명에 의하면, 열전달 제어는 서로 다른 튜브다발 사이에 고온 프로세스 가스 스트림을 분배함으로써 실행된다. 하나의 튜브다발내의 튜브를 통하는 고온 프로세스 가스 스트림의 감소된 유량으로 다른 튜브다발내의 튜브를 통하는 유속은 보일러를 통하는 고온 프로세스 가스 스트림의 일정 유량에 상응하여 증가한다. 프로세스 가스 스트림의 질량속도의 증가는 열전달의 증가를 동반한다. 그래서, 서로 다른 튜브다발내의 고온 프로세스 가스 스트림의 유량의 적절한 조절에 의해, 프로세스 가스 스트림과 보일러에서 배출되는 증기의 열전달 및 온도를 오염성 인자 조건의 변화를 수반하여 제어하는 것이 가능하다.In accordance with the present invention, heat transfer control is performed by distributing a high temperature process gas stream between different tube bundles. At a reduced flow rate of the hot process gas stream through the tubes in one tube bundle, the flow rate through the tube in the other tube bundle increases corresponding to the constant flow rate of the hot process gas stream through the boiler. An increase in the mass rate of the process gas stream is accompanied by an increase in heat transfer. Thus, by appropriately adjusting the flow rates of the hot process gas streams in different tube bundles, it is possible to control the heat transfer and temperature of the steam exiting the process gas stream and the boiler with the change of contaminant factor conditions.

튜브다발 사이에서 그리고 튜브를 통하여 유입되는 프로세스 가스 스트림의 유량분배 제어는 튜브의 배출구측 튜브다발에 인접하게 배열된 배출챔버내의 제어밸브에 의해 이루어질 수 있다.Flow distribution control of the process gas stream flowing between and through the tube bundle can be achieved by control valves in the discharge chamber arranged adjacent to the tube bundle on the outlet side of the tube.

단열 바이패스 튜브를 갖춘 종래의 보일러에 반해, 고온의 냉각되지 않은 프로세스 가스 스트림과의 접촉에 의한 튜브와 밸브내의 금속표면의 심한 부식이 회피되어 진다. 본 발명에 따른 보일러내의 튜브와 밸브의 금속표면은 튜브의 셸 측면상에서의 물/증기와의 열교환을 통하여 보다 저온의 냉각된 프로세스 가스 스트림에 노출되어진다.In contrast to conventional boilers with adiabatic bypass tubes, severe corrosion of the metal surfaces in the tubes and valves by contact with hot uncooled process gas streams is avoided. The metal surfaces of the tubes and valves in the boiler according to the invention are exposed to a lower temperature cooled process gas stream through heat exchange with water / vapor on the shell side of the tube.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 보일러의 튜브다발들은 서로 다른 갯수의 튜브를 구비하고 있으며, 이것은 속도 및 열교환면적의 제어를 허용하여 결과적으로 보일러내의 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 해준다.In a preferred embodiment of the invention, the tube bundles of the boiler are provided with different numbers of tubes, which allows control of the speed and the heat exchange area, resulting in more precise control of the temperature in the boiler.

상기 실시예에 부가하여, 또는 대안으로서, 튜브다발에는 서로 다른 다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 튜브가 구비될 수 있다.In addition to, or alternatively, the tube bundles may be provided with tubes of different diameters in different bundles.

따라서, 온도제어는 서로 다른 양의 고온 프로세스 가스 스트림을 튜브 직경이 서로 다른 다발에 분배함으로써 실행되며, 여기에서 튜브의 직경이 작으면 작을수록 더높은 열전달 계수를 생기게 하고, 그래서 보다 작은 직경의 튜브를 통하여 증가하는 유동에서 프로세스 가스 스트림을 보다 효율적으로 냉각한다.Thus, temperature control is performed by distributing different amounts of hot process gas streams into bundles of different tube diameters, where smaller diameters lead to higher heat transfer coefficients, and thus smaller diameter tubes It cools the process gas stream more efficiently at increasing flow through.

서로 다른 양의 고온 프로세스 가스 스트림을 열교환 튜브를 통하여 튜브다발로 분배할 때, 보일러내의 튜브와 밸브의 금속표면을 보일러내의 심각한 부식을 초래하는 고온에 노출시키지 않고 보일러의 오염과 부하에 적합하게 열전달을 변화시키는 것이 가능하다.When distributing different amounts of high temperature process gas streams through a heat exchange tube to a bundle of tubes, the heat transfer of the tubes and valves in the boiler is appropriate for heat transfer to the boiler's contamination and load without exposing the metal surfaces of the boiler to high temperatures that cause severe corrosion in the boiler. It is possible to change the

본 발명의 상기 이점과 특징은 이하 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명료하게 알 수 있다.The above advantages and features of the present invention will be more clearly understood from the following detailed description of specific embodiments.

실시 모델에 있어서, 각각의 튜브 다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 튜브가 구비된 2 개의 튜브다발과 튜브의 배출구 단부측에서 배출챔버내에 제어밸브 형태의 유량제어 시스템을 가지고 있는 본 발명에 따른 셸-튜브 교환기형의 폐열 보일러는 입구온도가 950 ℃인 449,782 Nm3/h의 재생가스를 사용하여 작동된다. 이 보일러는 원통형 셸내에 상기 셸의 축선둘레에 배열된 외경 3인치, 길이 5.5m 인 150 개의 튜브로 이루어진 제1 튜브다발과 상기 제1 튜브다발의 둘레에 동심으로 장착된 외경 2인치, 길이 5.5m 인 450개의 튜브를 내포하는 제2 다발을 갖추고 있다.In an exemplary model, each tube bundle has two tube bundles with tubes of different diameters and a shell-tube according to the invention having a flow control system in the form of a control valve in the discharge chamber at the outlet end side of the tube. The exchanger type waste heat boiler is operated using 449,782 Nm 3 / h of regeneration gas with an inlet temperature of 950 ° C. The boiler has a first tube bundle consisting of 150 tubes with an outer diameter of 3 inches and a length of 5.5 m arranged in a cylindrical shell and around the shell and an outer diameter of 2 inches, 5.5 inches concentrically mounted around the first tube bundle. and a second bundle containing 450 tubes of m.

각각의 튜브다발로 부터의 냉각된 프로세스 가스 스트림의 온도와 2개의 다발로의 서로 다른 유량분배에서 혼합냉각된 프로세스 가스 스트림의 출구온도가 0 및 6×10-4의 서로 다른 오염계수(fouling factor)에 대해 표1과 표2 에 각각 도시되어 있다.The temperature of the cooled process gas stream from each tube bundle and the outlet temperature of the mixed cooled process gas stream at different flow distributions between the two bundles are different fouling factors of 0 and 6 × 10 −4 . Are shown in Table 1 and Table 2, respectively.

표에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각된 프로세스 가스 스트림의 온도는 고온의 유입 프로세스 가스 스트림을 제1 및 제2 튜브다발로 서로 다르게 분배함으로써 제어된다. 일례로서, 냉각된 프로세스 가스 스트림내의 필요 배출구온도 590℃에 대해서는, 10%의 고온 프로세스 가스 스트림이 소직경 튜브를 통과하고, 그 나머지는 보일러내에서 오염되지 않은 상태로 대직경 튜브를 통과한다. 변화된 오염상태, 즉, 6×10-4의 오염계수에서는 소직경 튜브를 통하는 유량은 필요 배출구온도 590℃를 얻기 위하여 30% 로 증가되어야 한다.As can be seen from the table, the temperature of the cooled process gas stream is controlled by differently distributing the hot inlet process gas stream into the first and second tube bundles. As an example, for the required outlet temperature 590 ° C. in the cooled process gas stream, 10% of the hot process gas stream passes through the small diameter tube and the remainder passes through the large diameter tube uncontaminated in the boiler. At varying levels of contamination, ie 6 × 10 -4 pollution coefficients, the flow through the small diameter tube must be increased to 30% to obtain the required outlet temperature of 590 ° C.

이에 의해, 온도제어는 보일러의 금속표면을 심각한 부식을 초래하는 고온에 노출시키지 않고 얻어진다.Thereby, temperature control is obtained without exposing the metal surface of the boiler to high temperatures that cause severe corrosion.

Claims (5)

원통형 셸 내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환 튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 상기 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법에 있어서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.A plurality of heat exchange tubes having an inlet end and an outlet end inside the cylindrical shell, attached to the shell, means for introducing water on the shell side of the tube, the tubes for generating steam and cooling the introduced process gas stream Means for introducing a high temperature process gas stream to the inlet end of and passing the gas stream through the tube in indirect heat exchange with water on the shell side of the tube, for recovering generated water / steam, and for recovering the cooled gas stream. A method of operating a waste heat boiler disposed in at least two bundles of tubes each having gas flow control means, the tube comprising: a predetermined outlet temperature of the gas stream at different contamination and loading conditions; Generation of steam and cooling of the process stream to obtain Adjusting the flow distribution and flow rate of the hot gas stream between the different bundles of tubes to control the angle of the waste heat boiler. 제1항에 있어서, 가스 유동 제어수단은 튜브다발내의 튜브의 배출구 단부에서 각각의 튜브다발에 장착된 배출구 챔버내의 제어밸브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.2. A method according to claim 1, wherein the gas flow control means comprises a control valve in an outlet chamber mounted to each tube bundle at the outlet end of the tube in the tube bundle. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 튜브다발은 서로 다른 갯수의 튜브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.3. A method according to claim 1 or 2, wherein the tube bundle comprises a different number of tubes. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 튜브다발내의 튜브는 서로 다른 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.3. A method according to claim 1 or 2, wherein the tubes in different tube bundles have different diameters. 제1항에 있어서, 상기 튜브다발은 서로 다른 튜브다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 서로 다른 갯수의 튜브를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.The method of operating a waste heat boiler according to claim 1, wherein the tube bundles have different numbers of tubes having different diameters in different tube bundles.
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